научная статья по теме ЭНЕРГЕТИКА ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЭНЕРГЕТИКА ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ»

ЭНЕРГЕТИКА ВЕТРОВОГО

ВОЛНЕНИЯ

Кандидат технических наук А.А. ГОРЛОВ (Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН)

юбой, кто хоть раз стоял на беЯ I регу, видел, как ревущие волны ф I беспомощно растрачивают сверкающую энергию... Мы переживаем пленительный период в изучении волновой энергетики, когда у каждого заинтересовавшегося предметом захватывает дух от практических возможностей проекта", - утверждает известный английский специалист Д. Росс1. По оценке британских экспертов количество волновой энергии только в районе от Гебридских островов до Корнуэлла и далее к северо-востоку Великобритании составляет величину, пятикратно превышающую средний годовой запрос страны. Расчёты показывают, что волновые технологии Великобритании имеют потенциал для производства 50 ТВт • ч электроэнергии, а это может обеспечить электроэнергией 11 млн домов. В акваторию Пентланд-Ферт и вокруг Оркнейских островов Шотландии приходят волны высотой 15 м из Северной Атлантики. Этот район страны называют Саудовской Аравией волновой энергетики. А ведь высота волн, например в том же в Атлантическом ю океане, может превышать 24 м, что § соответствует высоте восьмиэтажного £ дома. По расчётам российских ученых, | основанным на стереофотосъёмке, § можно абсолютно уверенно говорить, я- что высота наибольших волн достига-| ет 30 м в океанах и 20 м в отдельных £ морях2. А экипаж американского тан-§ кера "Романо" в 1933 г. утверждал, § что в Тихом океане встречались волны I высотой 36 м. По расчётам профессора * Н.В. Вершинского, такие волны только £1 -

« 1 Росс Д. Энергия волн. Л.: Гидрометеоиздат. 1981.

2 Давидан И.Н., Лопатухин Л.И. На встречу со штормами. Л.: Гидрометеоиздат. 1982.

на один метр своего фронта содержат мощность 70 МВт3, но в среднем удельная годовая энергия волны в океанах составляет около 40 кВт/м4. Во всём мире энергия волнения оценивается в 2 ТВт, и этот огромный ресурс может смягчить зависимость от ископаемого топлива и внести существенный вклад в уменьшение его вредного воздействия на окружающую среду. Россия омывается тринадцатью морями, её морская граница простирается на 40 тыс. км, а граница экономической зоны расположена в 370 км от берегов и островов. Для Чёрного моря удельная мощность энергии волнения составляет 8 кВт/м, Каспийского - 11, Баренцева - 29, Балтийского - 8, Охотского - 30 кВт/м. В открытых, свободных ото льда акваториях всех морей перспективно использовать плавучие волновые энергетические установки, объединенные в фермы мощностью в десятки мегаватт. Приблизительно 30 лет назад во многих странах мира появился интерес к этой проблеме. Уже к 1982 г. в 20 странах было зарегистрировано более 1000 заявок на способы преобразования энергии волн и устройства их реализации. К настоящему времени на эту тему было сделано множество докладов и сообщений на различных международных конференциях и симпозиумах. Регулярно публикуются многочисленные статьи по вопросам использования волновой энергии. За последнее десятилетие работы в этом направлении очень активизировались в Великобритании, США, ведущих странах Европы и Азии. Создано несколько типов различных

3 Вершинский Н.В. Энергия океана. М.: Наука. 1986.

4 Горлов А.А. Энергия океана: фантастика и ре-

альность. М.: Знание. 1988.

30

© А. А. Горлов

демонстрационных установок, некоторые из которых уже используются в коммерческих целях. Но из множества технических предложений пригодными для практической реализации оказываются лишь десятки; из них после натурных экспериментов в реальной океанской среде остаются считанные единицы. Это объясняется низкой концентрацией энергии, непостоянством её в пространстве и времени, широким спектром и многомерностью колебаний волнения, агрессивностью океанской среды и значительными трудностями в передаче энергии на берег. Серьёзное препятствие создаёт необходимость обеспечения живучести волновых преобразователей в случае экстремальных штормовых нагрузок.

Как же разобраться в этом море идей? Подробная классификация различных типов волновых преобразователей (ВП) достаточно обширна, но упрощённо можно рассматривать ВП берегового, прибрежного и морского базирования. Все ВП условно делятся на два контура: первичный, обеспечивающий непосредственное извлечение и передачу энергии волны рабочему органу, и вторичный, преобразующий извлечённую энергию в вид, удобный для потребителя5. Рабочим органом может быть элемент конструкции установки, газ или жидкость, в том числе воздух или морская вода. Установки удобно разделять по типу использования первичным контуром физических волновых эффектов, таких как изменение уровня воды относительно стационарно размещённого тела, периодическое изменение наклона волновой поверхности, гидродинамическое давление жидкости на преобразователь, переменное гидростатическое давление, действующее на установку, и ряд других6. Вторичный контур может состоять из нескольких ступеней, в которых на определённых этапах передача энергии выполняется механическим, гидравлическим и пневматическим способами. Преобразователями энергии могут служить воздушные и гидравлические турбины, гидравличе-

5Коробков В.А. Преобразование энергии океана. Л.: Судостроение. 1986.

6 Сичкарев В.И. Основы исследования и разработки волновых энергетических станций. Владивосток.: Изд. ДВНЦ АН СССР. 1987.

ские моторы, индукционные электрические машины, электрогенераторы и т.п. Российские учёные уже давно интересовались этой проблемой7. Так, основоположник эры космических полётов К.Э. Циолковский опубликовал в 1935 г. статью "Волнолом и извлечение энергии из морских волн"8. Он писал: "Извлекая через посредство машин энергию движения из волн, мы ослабляем их колебания и тем самым отчасти укрощаем. Ряд таких машин, следующих одна за другой, может совсем укротить волнение. Эти двигатели могут заменить мол и явиться искусственной гаванью там, где её нет".

Прошло несколько десятков лет и профессором М. Мак-Кормиком в США и группой учёных в Японии были разработаны рабочие проекты массивных волноломов со встроенными в них воздушными преобразователями, использующими энергию набегающих волн. А в наше время российской компанией "Гидроэнергоспецстрой" разрабатывается проект ВП Wave Hunter принципиально другой конструкции, предназначенный как для защиты береговых сооружений от воздействия волнения, так и для выработки электроэнергии (рис. 1а). Этот ВП является основной частью энергетических модулей расположенного вдоль берега комбинированного комплекса, состоящего из цепочки таких модулей с возобновляемыми солнечными, ветровыми и волновыми установками. По утверждению компании, комплекс позволяет снизить разрушающую энергию волн в 10 раз и преобразовать при этом в полезную работу до 40% начальной энергии волнения, для чего при постоянно меняющихся параметрах стихии используются ^ специальные системы автоматическо- § го регулирования демпфирующих уси- ^ лий элементов ВП. Заметим, что ещё | более четверти века назад прилага- § лись усилия повысить эффективность га-отбора буйковыми ВП энергии, которая | достигает максимальной величины, ко- ® гда период волнения близок к перио- 1 ду собственных колебаний элементов | установки, непосредственно взаимо- §

7 Горлов А.А. Энергия океана: фантастика и ре- ® альность. М.: Знание. 1988. «

8 Циолковский К.Э. Волнолом и извлечение энергии из морских волн // Вестник знаний. 1935. № 4.

Рис. 1.

Концепт-проект комбинированного ВП Wave Hunter (а) и демонстрационный макет ВП ВОЛНЭС-30 на причале (б).

действующих с взволнованной поверхностью (см. сноску 7). Поэтому большой интерес представляет возможность автоматической резонансной настройки преобразователя при изменяющихся параметрах волнения. Однако в реальных морских условиях это сделать непросто: необходимо, чтобы система управления постоянно с большим опережением прогнозировала параметры волнения, что возможно, очевидно,

ю

б лишь для регулярного процесса типа n зыби. При ветровом трёхмерном вол-i нении резонансная настройка затруд-§ нительна ввиду его случайного ха-" рактера. Повысить эффективность

I отбора энергии можно методом фа-i зового управления, смысл которого в g- обеспечении совпадения фаз волно-| вой силы и скорости движения рабо-§ чего элемента преобразователя при £ необязательном совпадении частоты

II волнения с собственной частотой ко-| лебаний преобразователя. Расчёты и

модельные исследования показали, что фазовое управление может увеличить эффективность отбора энергии

на 90% для регулярного и на 15% для нерегулярного волнения.

Идею использования преобразователя воздушного типа, назвав его кессоном, предложил тоже К.Э. Циолковский. Он писал: "Действие мотора основано на том, что в сосуде с крышкой, но без дна, или в кессоне, погружённом в волны, давление на воздух в нём то увеличивается, то уменьшается - конечно, при волнении". Это предложение было впервые реализовано в Японии. Созданная там плавучая волновая установка типа "осциллирующий водный столб" (ОВС) мощностью до 60 Вт стала в 80-х гг. серийно выпускаться в составе навигационных буёв. Нижний конец центральной трубы буя был открыт в воду, а верхний - в камеру пневматического турбогенератора. Колебания уровня воды создают воздушный поток, вращающий турбину генератора в одном направлении с помощью системы распределительных клапанов. Измерения показали, что установка начинает уверенно работать при волнении высотой 50 см. Отечественный изобретатель И.А. Бабинцев и английские специалисты Уиттекер и Уэллс примерно в одно и то же время предложили конструкцию пневматического преобразователя типа ОВС без распределительных клапанов с турбинами специальной конструкции, обеспечивающей вращение в заданную сторону независимо от направления потока относительно агрегата. В Японии в 80-х гг. был создан крупномасштабный демонстрационный макет плавучего ВП типа ОВС под названием Каймей мощностью 1 МВт. В работах принимали участие учёные США, Великобритании, Канады и Ирландии. Установка Каймей была размещена на барже водоизмещением 500 т, длиной около 80 м, шириной 12 м и состояла из 22 воздушных камер, каждая

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком